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EP0498719A1 - Insert pour pièce coulée composite - Google Patents

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EP0498719A1
EP0498719A1 EP92400292A EP92400292A EP0498719A1 EP 0498719 A1 EP0498719 A1 EP 0498719A1 EP 92400292 A EP92400292 A EP 92400292A EP 92400292 A EP92400292 A EP 92400292A EP 0498719 A1 EP0498719 A1 EP 0498719A1
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EP
European Patent Office
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layer
insert
metal
aluminum
insert according
Prior art date
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EP92400292A
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German (de)
English (en)
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EP0498719B1 (fr
Inventor
Jean-Claude Jaquet
Rolf Mader
Roman Fuchs
Marcus Textor
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Montupet SA
Original Assignee
Montupet SA
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/0081—Casting in, on, or around objects which form part of the product pretreatment of the insert, e.g. for enhancing the bonding between insert and surrounding cast metal
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D21/00—Casting non-ferrous metals or metallic compounds so far as their metallurgical properties are of importance for the casting procedure; Selection of compositions therefor
    • B22D21/002—Castings of light metals
    • B22D21/007—Castings of light metals with low melting point, e.g. Al 659 degrees C, Mg 650 degrees C

Definitions

  • the present invention relates to an insert made of an aluminum material for melting or joining by melting with a melt of aluminum or an aluminum alloy to form a composite casting with metallic bond in the surface. composite limit.
  • composite casting process is understood to mean the production of cast parts, composed of at least two different metallic materials, which are firmly bonded together. Then conventionally an insert made of one of the materials is introduced into a mold and the melt of the other material is remelted or joined by cast iron.
  • East German patent DD-141 121 discloses a process in which the insert is provided with a metal coating after fluxing by immersion in a molten metal bath which has a high ability to ally with aluminum.
  • treatment by fluxing can, for complicated shaped inserts, leave residual fluxes and alter the adhesion of the bond at the corresponding points.
  • the inventor set himself the objective of preparing an insert of the type mentioned at the start, with which the melting temperature can be kept as low as possible during composite casting and the adhesion of the connection could be further improved.
  • the resolution of the problem in accordance with the invention is based on the fact that at least the oxide-free surface of the insert on which it is remelted or joined by the cast iron of the melt has a first layer having a surface layer of an oxidation-resistant metal or metal alloy and a second layer applied directly to this first layer of a metal or metal alloy having high solubility in aluminum at solid state and a melting temperature between 350 and 500 ° C.
  • the second layer is guaranteed to have good adhesion with a metallic bond.
  • the first layer is in the simplest case produced uniformly from a single metal or metal alloy. However, it is already sufficient that only the surface layer of the first layer consists of a metal or alloy resistant to oxidation.
  • the first layer can therefore also be a multi-layer system tooth the external layer is formed of a metal or metal alloy resistant to oxidation.
  • Metals suitable for the first layer or the surface layer thereof are Z, Cd, Cr, Cu, as well as Ag, Au, Ni in particular and alloys of these elements.
  • a layer thickness of 0.002 to 20 ⁇ m is generally sufficient, while in most cases the thickness can be less than 5 ⁇ m and in principle even a layer thickness of a few rows of atoms can suffice.
  • the second, relatively low-melting layer of the surface of the insert care must be taken that during composite casting at the boundary surface between the insert and the mass of molten metal, there is for a period of time sufficient a liquid layer which ensures adhesion by interdiffusion.
  • Metals or alloys suitable metals having a high solubility in aluminum in the solid state that is to say what are called brazing filler alloys, are zinc or zinc alloys of the type ZnA15, ZnMg3 and ZnCu5, while the exact content of alloying element can vary within a relatively wide range and thus the desired melting temperature can be adjusted.
  • Particularly advantageous are the alloys of eutectic composition, which are known to have a very small solidification interval.
  • the thickness of the second layer is preferably between 20 and 300 ⁇ m.
  • the second layer can be provided directly with a third layer corresponding to the first layer in terms of choice of material and thickness. It is also possible to use as a third layer, instead of a metal which is stable against oxidation, a layer of flux or flux, the latter being able to be applied for example by dipping in a flux or even being able to be done. by depositing a flux on the mass of molten metal directly during the composite casting, on the surface of the insert. An appropriate flow is for example K2ZrF6.
  • the aluminum material of the insert according to the invention may for example include an alloy which is difficult to cast, intermetallic phases, materials compacted by spraying or sintered, as well as very generally composite materials with an aluminum matrix, possibly reinforced. by ceramic particles, short fibers, whiskers or beards or continuous fibers, as well as hybrid forms and other special alunimium materials.
  • the first layer of metal resistant to oxidation particularly suitable are galvanic processes in which the oxide layer of the surface of the insert is removed in the electrolyte at the same time as the metal layer, but it is also possible to use metal extraction under vacuum after prior elimination of the oxide layer by means, for example, of ion bombardment.
  • the first layer, or at least the surface layer thereof can be deposited on the surface of the insert by immersing the insert in a molten bath of the metal or of the oxidation-resistant alloy that ultrasonic vibrations have been chosen and applied simultaneously to the insert. These vibrations have the effect of releasing by mechanical action the oxide layer present on the surface of the insert and therefore of obtaining good adhesion of the surface layer resistant to oxidation.
  • the second layer is preferably applied in the dip coating process.
  • the insert is usually placed in a mold - which can also be a shell for pressure casting - and is melted or joined by the cast iron with the mass of molten metal.
  • a composite casting can also have several inserts.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
  • Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

L'insert consiste en un matériau d'aluminium et est prévu pour la refonte ou la jonction par la fonte avec une masse fondue d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium pour former une pièce coulée composite avec liaison métallique dans la surface limite composite. Au moins la surface exempte d'oxyde de l'insert sur laquelle on refond ou joint par la fonte de la masse fondue présente une première couche ayant une couche superficielle en un métal ou alliage métallique résistant à l'oxydation et une seconde couche appliquée directement sur cette première couche en un métal ou alliage métallique ayant une solubilité élevée dans l'aluminium à l'état solide et une température de fusion comprise entre 350 et 500°C.

Description

  • La présente invention concerne un insert fait d'un matériau d'aluminium pour la refonte ou la jonction par la fonte avec une masse fondue d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium pour former une pièce coulée composite avec liaison métallique dans la surface limite composite.
  • On entend de manière générale par procédé de coulée composite la production de pièces coulées, composées d'au moins deux matériaux métalliques différents, solidement liés entre eux. On introduit alors classiquement un insert fait de l'un des matériaux dans un moule et on refond ou joint par la fonte la masse fondue de l'autre matériau.
  • Alors qu'autrefois la coulée composite servait principalement à la préparation de pièces coulées en aluminium avec des inserts en acier, le procédé est employé depuis peu, grâce à la mise au point de matériaux en aluminium ayant par rapport aux alliages d'aluminium classiques des propriétés mécaniques fortement améliorées, pour la préparation de purs composites en alliage léger. On peut considérer comme matériaux pour les inserts par exemple des alliages difficilement coulables, des phases intermétalliques, des matériaux composites avec matrice en aluminium et composants incorporés métalliques ou non-métalliques, des matériaux compactés par pulvérisation ou frittés et d'autres matériaux dits matériaux spéciaux d'aluminium.
  • Une exigence essentielle dans les pièces coulées composites pour éléments à forte sollicitation mécanique est la liaison métallique dans la surface limite composite. Cette liaison métallique ne peut être obtenue que lorsque la couche d'oxyde compacte, toujours présente sur la surface des inserts en matériaux d'aluminium dans les conditions atmosphériques usuelles, est éloignée avant la coulée composite. Pour cela on connaît d'après le brevet CH-318 530 un procédé dans lequel l'insert est muni, après l'élimination de sa couche d' oxyde superficielle,d'une couche protectrice métallique en zinc, cadmium, cuivre, argent, nickel ou chrome, qui est éliminée lors de la coulée composite par contact avec la masse fondue métallique. Dans ce procédé, l'utilisation de l'insert pendant la refonte ou la jonction par la fonte de la masse fondue est fortement améliorée. Etant donné que l'on ne peut obtenir une bonne adhérence de la liaison que quand l'insert fond superficiellement, ce qui fait que l'indéformabilité de l'insert doit être acquise à la température de fusion, ce procédé est limité à des inserts en matériaux spéciaux d'aluminium hautement résistants à la chaleur.
  • De plus le brevet d'Allemagne de l'Est DD-141 121 divulgue un procédé dans lequel l'insert est muni d'un revêtement métallique après un fluxage par immersion dans un bain métallique fondu qui présente une aptitude élevée à s'allier avec l'aluminium. Mais le traitement par fluxage peut, pour des inserts de forme compliquée, laisser subsister des restes de flux et altérer aux points correspondants l'adhérence de la liaison.
  • Puisqu'il en est ainsi, l'inventeur s'est fixé comme objectif de préparer un insert du type mentionné au début, avec lequel la température de fusion puisse être maintenue la plus basse possible lors de la coulée composite et l'adhérence de la liaison puisse être encore améliorée.
  • La résolution du problème conformément à l'invention s'appuie sur ce qu'au moins la surface exempte d'oxyde de l'insert sur laquelle on refond ou joint par la fonte de la masse fondue présente une première couche ayant une couche superficielle en un métal ou alliage métallique résistant à l'oxydation et une seconde couche appliquée directement sur cette première couche en un métal ou alliage métallique ayant une solubilité élevée dans l'aluminium à l'état solide et une température de fusion comprise entre 350 et 500°C.
  • Il devient ainsi possible d'employer comme matériau pour inserts toute la palette des matériaux d'aluminium et en même temps d'atteindre dans la pièce coulée. composite une adhérence de liaison élevée.
  • Avec la première couche on assure à la seconde couche une bonne adhérence avec liaison métallique. La première couche est dans le cas le plus simple réalisée uniformément en un seul métal ou alliage métallique. Il suffit toutefois déjà que seule la couche superficielle de la première couche consiste en un métal ou alliage résistant à l'oxydation. La première couche peut donc également être un système multi-couches dent la couche externe soit formée d'un métal ou alliage métallique résistant à l'oxydation.
  • Des métaux appropriés pour la première couche ou la couche superficielle de celle-ci sont Z, Cd, Cr, Cu, ainsi que Ag, Au, Ni en particulier et des alliages de ces éléments. A ce sujet une épaisseur de couche de 0,002 à 20 µm est en général suffisante, tandis que dans la plupart des cas l'épaisseur peut être inférieure à 5 µm et qu'en principe même une épaisseur de couche de quelques rangées d'atomes peut suffire.
  • Pour la seconde couche, fondant relativement bas, de la surface de l'insert, il faut veiller à ce que, lors de la coulée composite à la surface limite entre l'insert et la masse de métal fondue, il y ait pendant une durée suffisante une couche liquide qui assure l'adhésion par interdiffusion. Des métaux ou alliages métalliques appropriés ayant une solubilité élevée dans l'aluminium à l'état solide, c'est-à-dire ce qu'on nomme des alliages d'apport de brasage, sont le zinc ou des alliages de zinc du type ZnA15, ZnMg3 et ZnCu5, tandis que la teneur exacte en élément d'alliage peut varier dans un intervalle relativement large et qu'on peut ainsi ajuster la température de fusion souhaitée. Sont tout particulièrement avantageux les alliages de composition eutectique, dont on sait qu'ils présentent un très faible intervalle de solidification. L'épaisseur de la seconde couche se situe de préférence entre 20 et 300 µm.
  • Pour assurer dans la coulée composite une imprégnation optimale de l'insert avec la masse fondue en cours de refonte ou de jonction par la fonte, on peut munir la seconde couche directement d'une troisième couche correspondant à la première couche pour ce qui est du choix du matériau et de l'épaisseur. On peut aussi employer comme troisième couche, au lieu d'un métal stable vis-à-vis de l'oxydation, une couche de fondant ou flux, celle-ci pouvant être appliquée par exemple par trempage dans un flux ou pouvant même se faire par dépôt d'un flux sur la masse de métal fondue directement pendant la coulée composite, à la surface de l'insert. Un flux approprié est par exemple K₂ZrF₆.
  • Le matériau d'aluminium de l'insert selon l'invention peut par exemple englober un alliage difficilement coulable, des phases intermétalliques, des matériaux compactés par pulvérisation ou frittés, ainsi que de manière très générale des matériaux composites avec matrice en aluminium, éventuellement renforcée par des particules de céramique, des fibres courtes, des whiskers ou barbes ou des fibres continues, ainsi que des formes hybrides et d'autres matériaux spéciaux d'alunimium.
  • Comme procédé d'enduction pour la première couche en métal résistant à l'oxydation, conviennent en particulier des procédés galvaniques dans lesquels la couche d'oxyde de la surface de l'insert est éliminée dans l'électrolyte en même temps que se forme la couche métallique, mais on peut aussi recourir à des extractions de métaux sous vide après élimination préalable de la couche d'oxyde au moyen, par exemple, d'un bombardement ionique. En variante, la première couche, ou au moins la couche superficielle de celle-ci, peut être déposée sur la surface de l'insert en immergeant l'insert dans un bain fondu du métal ou de l'alliage résistant à l'oxydation que l'on a choisi et en appliquant simultanément à l'insert des vibrations ultrasoniques. Ces vibrations ont pour effet de libérer par action mécanique la couche d'oxyde présente sur la surface de l'insert et donc d'obtenir une bonne adhérence de la couche superficielle résistant à l'oxydation.
  • La deuxième couche est de préférence appliquée dans le procédé de revêtement par trempage.
  • Pour préparer une pièce coulée composite, on place d'ordinaire l'insert dans un moule --qui peut aussi être une coquille pour coulée sous pression-- et on refond ou on joint par la fonte avec la masse de métal fondue. Naturellement une pièce coulée composite peut aussi comporter plusieurs inserts.

Claims (10)

  1. Insert en un matériau d'aluminium pour la refonte ou la jonction par la fonte avec une masse fondue d' aluminium ou d'un alliage d'aluminium pour former une pièce coulée composite avec liaison métallique dans la surface limite composite, caractérisé en ce
    qu'au moins la surface exempte d'oxyde de l'insert sur laquelle on refond ou joint par la fonte de la masse fondue présente une première couche ayant une couche superficielle en un métal ou alliage métallique résistant à l'oxydation et une seconde couche appliquée directement sur cette première couche en un métal ou alliage métallique ayant une solubilité élevée dans l'aluminium à l'état solide et une température de fusion comprise entre 350 et 500°C.
  2. Insert selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première couche présente une épaisseur de 0,002 à 20 µm.
  3. Insert selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins la couche superficielle de la première couche est composée de Ag, Au, Ni, Cr, Cu, Zn, Cd ou des alliages de ces éléments.
  4. Insert selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la seconde couche présente une épaisseur de 20 à 300 µm.
  5. Insert selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la seconde couche consiste en du zinc ou un alliage de zinc du type ZnA15, ZnMg3 ou ZnCu5.
  6. Insert selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la seconde couche est munie directement d'une troisième couche ayant une couche superficielle consistant en un métal ou alliage résistant à l'oxydation.
  7. Insert selon la revendication 6, caractérisé en ce que la troisième couche a une épaisseur de 0,002 à 20 µm.
  8. Insert selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu'au moins la couche superficielle de la troisième couche est composée de Ag, Au, Ni, Cr, Cu, Zn, Cd ou des alliages de ces éléments.
  9. Insert selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la seconde couche est munie directement d'une troisième couche en un flux, par exemple K₂ZrF₆.
  10. Pièce coulée composite ayant au moins un insert selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que l'(les) insert(s) est(sont) refondu(s) ou joint(s) par la fonte avec de l'aluminium ou un alliage d'aluminium.
EP92400292A 1991-02-05 1992-02-05 Insert pour pièce coulée composite Expired - Lifetime EP0498719B1 (fr)

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DE (1) DE69225163T2 (fr)
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